Überschrift: Begriffserklärungen

Amplitude
In der Ultraschalltechnik wird mit der Amplitude die größte Auslenkung eines schwingenden Körpers um seine Ruhelage bezeichnet. Meist wird der Betrag zwischen den Endlagen angegeben, in Mikrometer (µm). Ultraschallbäder schwingen zum Beispiel im Bereich von 1 bis 3 µm. Unter Verwendung von Sonotroden werden je nach Frequenz, Durchmesser, Material und Anwendungsfall Amplituden im Bereich von 3 µm über 30, 60, 90 bis 260 µm eingesetzt bzw. maximal erreicht.

Generator
Der Generator erzeugt einen hochfrequenten Strom und dient dem elektrischen Feineinstellen der Amplitude in einem mechanisch festgelegten Bereich. Er beinhaltet auch häufig Funktionen wie Zeitschaltuhr, Temperatureinstellung und die Speicherung von Ablaufprogrammen.

Horn
Es dient dem mechanischen Verstärken oder Verringern der Amplitude. Für den jeweiligen Anwendungsfall wird so der Amplitudenbereich mechanisch vorge- geben. Das Horn wird, wenn erforderlich, zwischen Schallwandler und Sonotrode montiert. Material: häufig Titan oder Aluminium in Vollmaterial.

Illustration: Horn an einer Durchfluss-Zelle

Kavitation
Sie dient in der Ultraschalltechnik gezielt als Werkzeug und wird wie folgt erzeugt: Unter Verwendung von Frequenzen im Ultraschallbereich, in der Praxis ab 20 kHz (sonst ab ca. 18 kHz) und einer genügend großen Amplitude, ab ca. 2 µm, können Flüssigkeiten den Schwingungen von Körpern, meist Sonotroden, nicht mehr folgen, da sie nicht schnell genug nachfließen können. Die Flüssig- keiten reißen in sich auf und es entstehen viele kleine Vakuumbläschen, die Kavitationsbläschen. Beim Implodieren dieser entsteht ein sehr starker Flüssig- keitsstrahl, der alles Umliegende beim Aufprall zertrümmert. Beispiele: in Suspensionen werden die Agglomerate zerlegt, die Zellwände von biologischen Zellen werden perforiert oder ganz zerrissen und in Emulsionen
die Phasen in Tröpfchen zerschlagen. Bei sehr hoher Leistungsdichte werden Partikel derart stark beschleunigt, dass sie beim Aufeinanderprallen weiter zer- schlagen werden. In Ultraschallbädern überlagern sich die Schwingungsmaxima der kleinen Amplituden zu großen. In diesen Zentren bilden sich Kavitations- bläschen aus.
Die Kavitation trägt auch, in Abhängigkeit von der Amplitude, Material von den Sonotroden ab.

Illustration: Entstehung einer Kavitationsblase

Leistungsultraschall
Dieser Begriff dient zur Abgrenzung, im Sinne der Anwendung, von der Ultra- schallmesstechnik. Bei niedrigen Frequenzen können große Amplituden erzeugt und die Schallwellen als Werkzeug dienen indem große Leistungen übertragen werden.

Plattenschwinger
Ein oder mehrere Schallwandler sind auf einem Edelstahlblech montiert, das
in die Wandung eines Behälters eingelassen ist. Die Schallwellen werden auf diese Weise großflächig über das Metallblech in die Flüssigkeit des Behälters eingeleitet.

Schallwandler
Beim Leistungsultraschall erzeugt der Schallwandler die Schallwellen. Dabei wird hochfrequenter Strom vom Generator, vorwiegend mit Hilfe von Piezoscheiben, in mechanische Schwingungen umgewandelt. Der Schallwandler wird auch als Konver- ter, Schallgeber, Schallkopf, englisch Transducer und fälschlicherweise auch
als Sensor bezeichnet.

Illustration: Schallwandler an einem Handgerät

Illustration: Sonotrode in einem Reaktor Sonotrode
Übersetzt bedeutet es Schall-Leiter. Die Schallwellen werden vom Erzeugungsort, dem Schallwandler, durch ein Horn weiter durch die Sonotrode in das zu be- arbeitende Medium geleitet. Zum Beispiel in Flüssigkeiten zum Reinigen, in Kunst- stoffe zum Verschweißen dieser oder zur gezielten Erzeugung von Kavitation. Die Länge der Sonotrode richtet sich
nach der Frequenz, dem Material und dem Durchmesser. Die kürzeste Länge einer in Resonanz schwingenden Sonotrode ist λ/2,
Beispiel: in Titan bei 20 kHz λ/2 ≈ 125 mm. Als Sonotrodenmaterial wird Titan oder Stahl in den meisten Applikationen verwendet, dabei bestehen sie bis auf Ausnahmen aus Vollmaterial. Ihre Geometrie wird speziell an die Aufgaben- stellung angepasst und kann sehr vielgestaltig ausfallen. Beispiele sind Block-, Stab-, Ring-, Sonotroden. Sie werden auch als Horn, Sonotrodenhorn, Ultra- schallfinger, Ultraschallhammer oder Ultraschallstab bezeichnet.

Stabschwinger
Für die verschiedensten Anwendungsfälle werden unterschiedliche Schwinger konstruiert: Mit Stabsonotroden aus Vollmaterial werden vorzugsweise hohe Amplituden erzielt. Deren Länge beträgt ein λ/2 oder ein Mehrfaches dessen und sie werden mit je einem Schallwandler verbunden. Rohrschwinger bestehen meist aus einem Edelstahl- oder Titanrohr, an dessen einem oder beiden Enden Schallwandler flüssigkeitsdicht gekapselt montiert sind. Rohr und Schallwandler schwingen in Resonanz, daher auch die Bezeichnung Rohrresonator. Sie werden je nach Anwendungsfall mit Frequenzen von 20 bis 45 kHz, verschiedenen Durchmessern und Längen in Flüssigkeiten betrieben.

Tauchschwinger
Ein oder mehrere Schallwandler befinden sich in einem flüssigkeitsdichten Metallgehäuse. Dabei sind sie meist auf einer ebenen oder für Spezialfälle auf einer gekrümmten Fläche so angeordnet, dass die Schallwellen großflächig in ein flüssiges Medium eingeleitet werden. Die Tauschwinger hängen oder liegen in Becken und ermöglichen so ein dem Anwendungsfall angepasstes Ultraschall- bad. Über ein Hochfrequenzkabel sind sie mit dem Generator verbunden.

Titan
Wird in der Ultraschalltechnik zur Erzielung hoher Amplituden aufgrund der
sehr guten schwingungstechnischen Eigenschaften – sehr zäh und elastisch – bevorzugt eingesetzt.

Ultraschallgerät/Ultraschallprozessor
Stellt eine elektrisch-mechanisch schwingende Einheit von Schallwandler, Generator und wenn vorhanden einer Sonotrode dar. Ausführung: Der Schallwandler ist zur besseren Handhabung vom Generator getrennt und durch ein Hochfrequenzkabel mit diesem verbunden. In Hand- geräten und für spezielle Applikationen werden Schallwandler und Generator
in einem Gehäuse zusammengefasst.

Hinweis
Die aufgeführten Begriffe sind weitgehend im niederfrequenten Ultraschall, dem so genannten Leistungsultraschall, gebräuchlich. Es wird weder der Anspruch auf Vollständigkeit erhoben, noch auf eine allumfassende detaillierte Erläute- rung. Bezugnehmend auf Ihren Anwendungsfall erhalten Sie auf Anfrage tech- nische Details und weiterführende Informationen.

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